Pembakar dalam ketuhar makmal konvensional mengubah campuran menjadi satu lapisan atom zink-oksida tunggal dengan sebilangan atom kobalt yang terjepit di antara lapisan graphene. Pada langkah terakhir, graphene dibakar, meninggalkan hanya satu lapisan atom zink-oksida kobalt-doped.
"Kami yang pertama membuat magnet 2D suhu bilik yang stabil secara kimia dalam keadaan sekitar," kata Jie Yao, seorang saintis fakulti di Bahagian Sains Bahan Berkeley Lab dan profesor sains dan kejuruteraan bahan di UC Berkeley.
"Penemuan ini mengasyikkan kerana ia tidak hanya memungkinkan kemagnetan 2D pada suhu bilik, tetapi juga menemui mekanisme baru untuk mewujudkan bahan magnet 2D," kata Rui Chen, seorang pelajar lulusan UC Berkeley dalam Kumpulan Penyelidikan Yao.
Bahan baru dapat dibengkokkan ke hampir semua bentuk tanpa pecah, dan sejuta kali lebih tipis daripada selembar kertas yang dapat membantu memajukan aplikasi elektronik putaran atau spintronik yang menggunakan orientasi putaran elektron dan bukan cajnya untuk mengekod data. "Magnet 2D kami memungkinkan pembentukan peranti spintronik ultra kompak untuk membuat putaran elektron," kata Chen.
Terdapat banyak filem nipis magnetik tetapi ini masih merupakan bahan 3D setebal beratus-ratus atau ribuan atom.
"Magnet 2D canggih memerlukan suhu yang sangat rendah untuk berfungsi. Tetapi atas sebab praktikal, pusat data perlu beroperasi pada suhu bilik, ”kata Yao. "Magnet 2D kami bukan hanya yang pertama yang beroperasi pada suhu bilik atau lebih tinggi, tetapi juga magnet pertama yang mencapai had 2D yang sebenarnya: Ia setipis satu atom."
Sistem graphene-zink-oksida menjadi lemah magnet dengan kepekatan atom kobalt 6 peratus. Meningkatkan kepekatan atom kobalt hingga sekitar 12 peratus menghasilkan magnet yang sangat kuat.
Melebihi kepekatan atom kobalt 15 peratus mengalihkan magnet 2D ke keadaan kuantum eksotik di mana keadaan magnet yang berlainan dalam sistem 2D bersaing satu sama lain.
Dan tidak seperti magnet 2D sebelumnya, yang kehilangan daya tarikan pada suhu bilik atau lebih tinggi, para penyelidik mendapati bahawa magnet 2D baru tidak hanya berfungsi pada suhu bilik tetapi juga pada suhu 100 darjah Celsius (212 darjah Fahrenheit).
"Sistem magnet 2D kami menunjukkan mekanisme yang berbeza dibandingkan dengan magnet 2D sebelumnya," kata Chen. "Dan kami fikir mekanisme unik ini disebabkan oleh elektron bebas dalam zink oksida."
"Dengan bahan kami, tidak ada halangan besar bagi industri untuk menerapkan metode berdasarkan solusi kami," kata Yao. "Ini berpotensi untuk skala pengeluaran besar-besaran dengan biaya yang lebih rendah."
Untuk mengesahkan bahawa filem 2D yang dihasilkan setebal satu atom, Yao dan pasukannya melakukan eksperimen mikroskopi elektron imbasan di Berkeley Lab's Molecular Foundry untuk mengenal pasti morfologi bahan, dan pencitraan mikroskop elektron transmisi (TEM) untuk memeriksa atom bahan dengan atom.
Eksperimen sinar-X tambahan di SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource mengesahkan struktur elektronik dan kristal magnet 2D yang disintesis. Dan di Pusat Bahan Nanoscale Makmal Nasional Argonne, para penyelidik menggunakan TEM untuk menggambarkan struktur kristal dan komposisi kimia bahan 2D.
"Saya percaya bahawa penemuan magnet dua dimensi yang baru, kuat dan benar-benar pada suhu bilik adalah penembusan yang tulen," kata pengarang bersama Robert Birgeneau, seorang saintis kanan fakulti di Bahagian Sains Bahan Berkeley Lab dan profesor fizik di UC Berkeley yang mengetuai kajian ini.
"Hasil kami lebih baik daripada yang kami harapkan, yang sangat menggembirakan. Sebilangan besar masa dalam sains, eksperimen boleh menjadi sangat mencabar, ”kata Yao. "Tetapi apabila anda akhirnya menyedari sesuatu yang baru, itu selalu memuaskan."